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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Montagevorrichtung zur Montage einer Batterie und ein Verfahren zur Montage einer Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2018 010 029 A1 beschrieben, eine Montagevorrichtung und ein Verfahren zur Montage eines Zellblocks für eine Batterie sowie ein entsprechender Zellblock für eine Batterie bekannt. Die Montagevorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Greiferelementen zum Aufnehmen und Fixieren von Einzelzellen, wobei die Greiferelemente jeweils auf einer Führungsstange axial beweglich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Montagevorrichtung zur Montage einer Batterie und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Montage einer Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Montagevorrichtung zur Montage einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und ein Verfahren zur Montage einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen. Erfindungsgemäß sind die Einzelzellen direkt in einem Batteriegehäuse angeordnet, wobei nach jeweils einer vorgegebenen Anzahl von Einzelzellen eine Zwischenschottwand angeordnet ist und stirnseitig jeweils eine Randschottwand angeordnet ist. Durch diesen erfindungsgemäßen Einbau direkt in das Batteriegehäuse, wodurch vorteilhafterweise eine so genannte Integralbatterie ausgebildet wird, wird eine Reduzierung von Kosten, Gewicht und Bauraumbedarf erreicht. Zudem wird die Kühlbarkeit der Einzelzellen verbessert. Durch die Reduzierung des Bauraumbedarfs wird des Weiteren vorteilhafterweise eine Erhöhung der Energiedichte ermöglicht.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden insbesondere Nachteile bisher bekannter Batterien vermieden, bei welchen zunächst Zellblöcke aus mehreren miteinander verspannten Einzelzellen ausgebildet werden und diese Zellblöcke dann in ein Batteriegehäuse eingesetzt werden. Dabei treten Dopplungen von Bauteilen auf, beispielsweise ein oberes Verbindungsblech des Zellblocks und ein Batteriegehäusedeckel des Batteriegehäuses, ein unteres Verbindungsblech des Zellblocks und ein Batteriegehäuseboden des Batteriegehäuses, Endplatten und Verbindungsleisten des Zellblocks und Seitenwände des Batteriegehäuses. Zudem ist dazwischen aus Toleranzgründen jeweils ein Spalt erforderlich. Diese Dopplungen bei den bisher bekannten Batterien führen somit zu hohen Kosten, einem hohen Gewicht und einem hohen Bauraumbedarf. Zudem wird weiterer Bauraum für die Befestigung der Zellblöcke im Batteriegehäuse benötigt. Des Weiteren liegt bei diesen bisher bekannten Batterien ein doppelter Wärmeübergang vor, von den Einzelzellen in das untere Verbindungsblech und von diesem unteren Verbindungsblech in eine Kühlplatte, wodurch die Kühlbarkeit der Einzelzellen beeinträchtigt ist. Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden.
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Durch den mittels der erfindungsgemäßen Lösung erreichten Entfall der bislang üblichen separaten Zellblöcke entfällt eine große Anzahl von Bauteilen und von dann unnötigen Toleranzspalten, wodurch die Reduzierung der Kosten, des Gewichts und des Bauraumbedarfs erreicht wird. Der bei der erfindungsgemäßen Batterie ermöglichte einfache Wärmeübergang von der jeweiligen Einzelzelle direkt in die Kühlplatte verbessert zudem die Kühlbarkeit der Einzelzellen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass Druckkräfte, welche durch ein alterungsabhängiges und/oder ladezustandsabhängiges Zelldickenwachstum der Einzelzellen entstehen, direkt am ohnehin vorhandenen stabilen Batteriegehäuse abgestützt werden. Daher ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Randschottwände am Batteriegehäuse, insbesondere an einer Innenseite des Batteriegehäuses, anliegen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein insbesondere die Einzelzellen, die Zwischenschottwände und die Randschottwände umfassender Zellpack zusammengepresst in das Batteriegehäuse eingesetzt wird und sich darin geringfügig entspannt, wodurch sich die Randschottwände jeweils an eine Innenseite des Batteriegehäuses anlegen.
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Eine erfindungsgemäße Montagevorrichtung zur Montage der Batterie umfasst eine Grundvorrichtung mit einer Grundplatte, Haltefingern und zwei Druckplatten zur Herstellung eines Zellpacks, wobei die Grundplatte an ihren Längsseiten jeweils eine Nut aufweist, wobei die Haltefinger jeweils in einer der beiden Nuten und entlang der jeweiligen Nut verschiebbar angeordnet sind, und wobei die Druckplatten über Führungsausformungen jeweils in beiden Nuten entlang der Nuten verschiebbar angeordnet sind, und eine Übergabevorrichtung zum Entnehmen des Zellpacks aus der Grundvorrichtung, umfassend Schwerter, ausgebildet zum Einfahren in Taschen der Schottwände.
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Diese Montagevorrichtung umfasst vorteilhafterweise des Weiteren mindestens eine Rolle zum Umbiegen von Ableitern der Einzelzellen, Niederhalter zum Anpressen zu verschweißender Ableiter und Kontaktpads zum Zellspannungsabgriff, und eine Laserschweißvorrichtung.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage der Batterie insbesondere mittels der Montagevorrichtung werden in der Grundvorrichtung alle Einzelteile des Zellpacks angeordnet, positioniert, verspannt und miteinander verbunden. Der Zellpack wird mittels der Übergabevorrichtung aus der Grundvorrichtung entnommen und in ein Batteriegehäuseunterteil eingesetzt. Die Übergabevorrichtung wird entnommen, Isolationskämme aus Kunststoff werden in Leerräume, in welchen sich die Haltefinger der Grundvorrichtung befunden hatten, eingesetzt, und ein Batteriegehäusedeckel wird aufgesetzt.
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Vorteilhafterweise werden die miteinander zu verbindenden Ableiter und die Kontaktpads zum Zellspannungsabgriff in einem gemeinsamen Verfahrensschritt verschweißt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Batterie nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch die Batterie aus 1 im montierten Zustand,
- 3 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 4 schematisch die Batterie aus 3 im montierten Zustand,
- 5 schematisch eine Einzelzelle und eine Spannmatte der Batterie,
- 6 schematisch die Einzelzelle und Spannmatte aus 5 in einem miteinander verklebten Zustand,
- 7 schematisch eine Zwischenschottwand der Batterie,
- 8 schematisch eine Randschottwand der Batterie,
- 9 schematisch eine Grundvorrichtung einer Montagevorrichtung zur Montage der Batterie,
- 10 schematisch in die Grundvorrichtung eingesetzte Komponenten eines Zellpacks der Batterie,
- 11 schematisch die teilweise zusammengeschobenen Komponenten des Zellpacks in der Grundvorrichtung,
- 12 schematisch der verpresste und verklebte Zellpack in der Grundvorrichtung,
- 13 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellpacks aus 12,
- 14 schematisch der verpresste und verklebte Zellpack in der Grundvorrichtung nach einem Umbiegen von Ableitern der Einzelzellen,
- 15 schematisch eine Schnittdarstellung des Zellpacks aus 14,
- 16 schematisch der Zellpack vor einem Aufsetzen eines Zellverbinders,
- 17 schematisch der Zellpack nach dem Aufsetzen des Zellverbinders,
- 18 schematisch eine Zellspannungsabgriffeinheit,
- 19 schematisch der Zellpack während eines Aufsetzens der Zellspannungsabgriffeinheiten,
- 20 schematisch der Zellpack mit aufgesetzten Zellspannungsabgriffeinheiten,
- 21 schematisch der Zellpack während eines Verschweißens von Ableitern und Kontaktpads in einem gemeinsamen Verfahrensschritt,
- 22 schematisch den Zellpack vor einem Aufsetzen von Abdeckungen,
- 23 schematisch den Zellpack nach dem Aufsetzen der Abdeckungen,
- 24 schematisch den Zellpack während des Einfahrens einer Übergabevorrichtung in den Zellpack,
- 25 schematisch den Zellpack mit eingefahrener Übergabevorrichtung,
- 26 schematisch ein Entfernen der Grundvorrichtung aus dem Zellpack,
- 27 schematisch den Zellpack während eines Anbringens eines Batteriegehäuseunterteils,
- 28 schematisch ein Entfernen der Übergabevorrichtung aus dem Zellpack,
- 29 schematisch ein Einstecken von Isolationskämmen in den Zellpack,
- 30 schematisch ein Aufsetzen eines Batteriegehäusedeckels,
- 31 schematisch ein Fixieren des Batteriegehäusedeckels und der Schottwände,
- 32 schematisch die fertig montierte Batterie in einer perspektivischen Darstellung von oben,
- 33 schematisch die fertig montierte Batterie in einer perspektivischen Darstellung von unten,
- 34 schematisch eine Schnittdarstellung der fertig montierten Batterie,
- 35 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 34,
- 36 schematisch eine weitere Schnittdarstellung der Batterie in einer Ebene von Befestigungsschrauben zur Befestigung der Schottwände,
- 37 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 36,
- 38 schematisch eine ausschnittvergrößerte Schnittdarstellung im Bereich der Befestigungsschraube zur Befestigung einer Schottwand mit einer Ausführungsform einer Abdichtung an einem Schraubenkopf,
- 39 schematisch eine ausschnittvergrößerte Schnittdarstellung im Bereich der Befestigungsschraube zur Befestigung einer Schottwand mit einer weiteren Ausführungsform einer Abdichtung am Schraubenkopf, und
- 40 schematisch eine ausschnittvergrößerte Schnittdarstellung im Bereich der Befestigungsschraube zur Befestigung einer Schottwand mit einer weiteren Ausführungsform einer Abdichtung am Schraubenkopf.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen eine Batterie 1 nach dem Stand der Technik. Die 3 bis 40 zeigen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Batterie 1 bzw. deren Montage mittels einer Montagevorrichtung 2 in einem entsprechenden Verfahren zur Montage der Batterie 1, wie im Folgenden näher beschrieben. Die Batterie 1, d. h. sowohl die aus dem Stand der Technik bekannte Batterie 1 als auch die erfindungsgemäße Batterie 1, ist insbesondere eine Hochvoltbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug oder Plugin-Fahrzeug, insbesondere zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Alternativ ist eine solche Batterie 1 beispielsweise auch für Stationäranwendungen, beispielsweise als Stromversorger und/oder Stromspeicher, verwendbar. Sie umfasst eine Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen 3, die elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbunden sind.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Batterien 1, beispielsweise gezeigt in den 1 und 2, sind die Einzelzellen 3 innerhalb der Batterie 1 in sogenannten Zellblöcken 4 oder Zellmodulen zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen 3 inklusive Einrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, zur axialen Verspannung, zur Kontaktierung und gegebenenfalls zur Temperierung, d. h. Kühlung und/oder Heizung, enthalten.
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Der mindestens eine Zellblock 4 oder die mehreren Zellblöcke 4 ist/sind dann in einem stabilen Batteriegehäuse 5 angeordnet, welches zusätzlich erforderliche Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem (BMS), Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen und/oder Strommesser und/oder weitere Einrichtungen sowie Anschlüsse nach außen, insbesondere Stromzu- und Ableitung, Kühlmittelzu- und Abführung und/oder einen Anschluss einer Batteriesteuerung und/oder weitere Anschlüsse enthält. Die Zellblöcke 4 müssen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Batterien 1 insbesondere in axialer Richtung, d. h. in Richtung einer Längserstreckung des Zellblocks 4, sehr stabil ausgeführt werden, um bei einem alterungsabhängigen und/oder ladezustandsabhängigen Zelldickenwachstum entstehende Druckkräfte D abzufangen.
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Aufgrund dieser Ausbildung der aus dem Stand der Technik bekannten Batterien 1 mit separaten Zellblöcken 4 sind im verbauten Zustand, d. h. im in 2 gezeigten fertig montierten Zustand der Batterie 1, mehrere Teile doppelt vorhanden. So ist der jeweilige Zellblock 4 allseitig abgeschlossen, insbesondere mit Verbindungsblechen 6 oben und unten, Verbindungsleisten seitlich und Endplatten 7 an Stirnseiten des Zellblocks 4. Die stirnseitigen Endplatten 7 des Zellblocks 4 dienen insbesondere einer Ableitung der aus dem alterungsabhängigen und/oder ladezustandsabhängigen Zelldickenwachstum resultierenden Druckkraft D, weshalb diese Endplatten 7 entsprechend stabil ausgeführt sein müssen. Zusätzlich sind die Einzelzellen 3 durch das ohnehin vorhandene Batteriegehäuse 5 umhüllt.
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Die Einzelzellen 3 sind über Wärmeleitpaste 8 oder Wärmeleitkleber 35 thermisch an das Verbindungsblech 6 unten angebunden. Das Verbindungsblech 6 unten und somit eine Unterseite des Zellblocks 4 ist über eine weitere Schicht Wärmeleitpaste 8 oder Wärmeleitkleber 35 thermisch an einen Batteriegehäuseboden eines Batteriegehäuseunterteils 5.2 des Batteriegehäuses 5 angebunden, der als Temperierplatte 9, insbesondere mit Kanälen TK zur Durchleitung eines Temperiermediums, ausgebildet ist.
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Diese Dopplungen der Bauteile führen zu hohen Kosten und zu einem hohen Gewicht. Zudem erhöht sich durch diese Dopplungen und einen jeweiligen Spalt S, welcher aus Toleranzgründen zusätzlich zwischen den doppelten Bauteilen, insbesondere Verbindungsblech 6 oben zu einem Batteriegehäusedeckel 5.1, Verbindungsblech 6 unten zum als Temperierplatte 9 ausgebildeten Batteriegehäuseboden, Endplatte 7 und Verbindungsleiste zu einer jeweiligen Seitenwand des Batteriegehäuses 5, insbesondere des Batteriegehäuseunterteils 5.2, erforderlich ist, ein Bauraumbedarf. Zudem ist weiterer Bauraum für eine Fixierung der Zellblöcke 4, insbesondere mittels Zellblockfixierschrauben 10, im Batteriegehäuse 5 erforderlich.
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Der oben beschriebene doppelte Wärmeübergang bei Batterien 1 nach dem Stand der Technik von der jeweiligen Einzelzelle 3 in das Verbindungsblech 6 unten und vom Verbindungsblech 6 unten in die Temperierplatte 9 verschlechtert zudem eine Temperierbarkeit, insbesondere Kühlbarkeit, der Einzelzellen 3.
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Die 1 und 2 zeigen das Einsetzen des bereits fertig montierten Zellblocks 4 in das Batteriegehäuseunterteil 5.2, in welchem er mittels der Zellblockfixierschrauben 10 fixiert wird. Anschließend wird der Batteriegehäusedeckel 5.1 aufgesetzt und mittels Deckelfixierschrauben 11 befestigt.
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Um diese Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Batterien 1 zu vermeiden, ist bei der erfindungsgemäßen Batterie 1 zur Reduzierung der Kosten, des Gewichts und des Bauraumbedarfs sowie zur Verbesserung der Temperierbarkeit, insbesondere Kühlbarkeit, vorgesehen, dass die Einzelzellen 3 direkt in das Batteriegehäuse 5 eingebaut werden und somit bei der fertig montierten Batterie 1 direkt im Batteriegehäuse 5 angeordnet sind, wie anhand eines Ausführungsbeispiels in den 3 und 4 gezeigt. Diese Batterie 1 wird daher auch als Integralbatterie bezeichnet.
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Bei dieser Lösung übernimmt der als Temperierplatte 9 ausgebildete Batteriegehäuseboden gleichzeitig die Funktion des nun nicht mehr vorhandenen unteren Verbindungsblechs 6, die Wärmeleitpaste 8 oder der Wärmeleitkleber 35 auf der Innenseite des als Temperierplatte 9 ausgebildeten Batteriegehäusebodens übernimmt gleichzeitig die Funktion der nun nicht mehr vorhandenen zusätzlichen Wärmeleitpaste 8 im nicht mehr vorhandenen Zellblock 4, das Batteriegehäuse 5, insbesondere das Batteriegehäuseunterteil 5.2, insbesondere dessen seitlicher Mantel, übernimmt gleichzeitig die Funktion der nun nicht mehr vorhandenen Endplatten 7, und der Batteriegehäusedeckel 5.1 übernimmt nun gleichzeitig die Funktion des oberen Verbindungsblechs 6 des nun nicht mehr vorhandenen Zellblocks 4.
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Durch den Entfall der aus der Batterie 1 gemäß Stand der Technik bekannten separaten Zellblöcke 4 oder Zellmodule entfällt somit eine große Anzahl von Bauteilen und von dadurch unnötigen Toleranzspalten, wodurch eine Reduzierung der Kosten, des Gewichts und des Bauraumbedarfs erreicht wird. Zudem wird durch diese Lösung der Wärmeübergang erheblich vereinfacht und verbessert, da er von der jeweiligen Einzelzelle 3 direkt in die Temperierplatte 9 erfolgt, so dass die Temperierbarkeit, insbesondere die Kühlbarkeit, der Einzelzellen 3 erheblich verbessert ist. Die beim alterungsabhängigen und/oder ladezustandsabhängigen Zelldickenwachstum entstehenden Druckkräfte D werden bei dieser Lösung direkt am ohnehin vorhandenen stabilen Batteriegehäuse 5 abgestützt, so dass keine zusätzlichen Verspannungen erforderlich sind.
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Bei der hier beschriebenen Lösung, beispielhaft gezeigt anhand der 3 bis 40, werden bzw. sind die Einzelzellen 3 ohne Verwendung von zusätzlichen Zellhaltern direkt im Batteriegehäuse 5 stoff-, form- und/oder kraftschlüssig befestigt. Die Einzelzellen 3 werden hierbei vor dem Einbau in das Batteriegehäuse 5 in der Montagevorrichtung 2, insbesondere in einer Grundvorrichtung 2.1 der Montagevorrichtung 2, zu einem sogenannten Zellpack 12 zusammengefügt, wie in den 10 bis 23 gezeigt, d. h. miteinander verklebt und verspannt und elektrisch kontaktiert, insbesondere wird eine elektrische Hochvoltkontaktierung zur Zu- und Abführung des Stromes der Batterie 1 und eine elektrische Niedervoltkontaktierung zum Anschluss der Einzelzellen 3 an eine Einrichtung zum Messen der Zellspannung sowie zum Ladezustandsausgleich, d. h. zum Balancing, hergestellt. Dies wäre im verbauten Zustand der Einzelzellen 3 im Batteriegehäuse 5 mangels Zugang nicht mehr möglich.
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Hierzu werden mittels der Montagevorrichtung 2, insbesondere deren Grundvorrichtung 2.1, alle Einzelteile des Zellpacks 12 ergriffen, positioniert und verspannt und alle Montageschritte werden sichergestellt, beispielweise die Verschweißung von Ableitern 13 der Einzelzellen 3 zu deren elektrischer Verbindung. Durch den Entfall der Zellhalter werden der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten nochmals deutlich reduziert.
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Durch die beschriebene Lösung sind in der fertig montierten Batterie 1 nur noch Bauteile enthalten, die mit allen Teilfunktionen tatsächlich im Betrieb der Batterie 1 erforderlich sind. Teilfunktionen, welche ausschließlich für die Montage der Batterie 1 erforderlich sind, sind bei dieser Lösung in die mehrmals verwendbare Montagevorrichtung 2, insbesondere in deren Grundvorrichtung 2.1, verlagert.
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Bei der zellhalterlosen Ausführung der Batterie 1 kann es sinnvoll sein, jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Einzelzellen 3 im Zellpack 12 Zwischenschottwände 14 anzuordnen, die axiale Bewegungen der Einzelzellen 3 unter Last vermindern und das ansonsten unverstrebte Batteriegehäuse 5 versteifen, wie im hier dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel gezeigt. Unter dem Begriff „axial“ ist hier die Längserstreckungsrichtung des Zellpacks 12 zu verstehen. Vorteilhafterweise sind die Zwischenschottwände 14 des Weiteren dazu vorgesehen, d. h. auch entsprechend ausgebildet, durch die jeweilige Zwischenschottwand 14 voneinander getrennte Pakete von Einzelzellen 3 thermisch gegeneinander abzuschirmen, so dass sich Brände von Einzelzellen 3 nicht in der gesamten Batterie 1 ausbreiten können. Es wird somit durch die Zwischenschottwände 14 eine Brandschottwirkung zur Verhinderung des so genannten „Thermal Runaway“ erreicht.
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Die hier beschriebene Lösung ist vorteilhafterweise für Batterien 1 mit allen bekannten Typen von Einzelzellen 3, beispielsweise Pouchzellen, prismatische Hardcasezellen oder Rundzellen, geeignet.
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Die hier beschriebene Batterie 1 umfasst somit die Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen 3, wobei diese Einzelzellen 3, d. h. vorteilhafterweise alle Einzelzellen 3 der Batterie 1, direkt im Batteriegehäuse 5 angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist nach jeweils einer vorgegebenen Anzahl von Einzelzellen 3 eine Zwischenschottwand 14 angeordnet. Vorteilhafterweise ist stirnseitig, insbesondere stirnseitig am mittels der Montagevorrichtung 2 ausgebildeten und in das Batteriegehäuse 5 eingesetzten Zellpack 12, jeweils eine Randschottwand 15 angeordnet. Die Randschottwände 15 liegen dabei vorteilhafterweise am Batteriegehäuse 5 an.
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Die Montagevorrichtung 2 zur Montage der Batterie 1 umfasst vorteilhafterweise die in den 9 bis 17 und 19 bis 26 dargestellte Grundvorrichtung 2.1 mit einer Grundplatte 16, Haltefingern 17 und zwei Druckplatten 18 zur Herstellung des Zellpacks 12, wobei die Grundplatte 16 vorteilhafterweise an ihren Längsseiten jeweils eine Nut 19 aufweist, wobei die Haltefinger 17 vorteilhafterweise jeweils in einer der beiden, insbesondere parallel zueinander angeordneten, Nuten 19 und entlang der jeweiligen Nut 19 verschiebbar angeordnet sind, und wobei die Druckplatten 18 vorteilhafterweise über Führungsausformungen 20 jeweils in beiden Nuten 19 entlang der Nuten 19 verschiebbar angeordnet sind. Zudem umfasst die Montagevorrichtung 2 vorteilhafterweise eine in den 24 bis 28 dargestellte Übergabevorrichtung 2.2 zum Entnehmen des Zellpacks 12 aus der Grundvorrichtung 2.1. Die Übergabevorrichtung 2.2 umfasst hierfür insbesondere Schwerter 21, d. h. schwertförmig ausgebildete Halteelemente, ausgebildet zum Einfahren in Taschen der Schottwände 14, 15.
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Die Montagevorrichtung 2 umfasst vorteilhafterweise des Weiteren mindestens eine Rolle 22 zum Umbiegen der Ableiter 13 der Einzelzellen 3, wie in den 12 und 14 gezeigt, Niederhalter zum Anpressen zu verschweißender Ableiter 13 und zu verschweißender Kontaktpads 23 zum Zellspannungsabgriff, sowie eine Laserschweißvorrichtung.
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Im Verfahren zur Montage der Batterie 1, insbesondere mittels der Montagevorrichtung 2, werden in der Grundvorrichtung 2.1 alle Einzelteile des Zellpacks 12 angeordnet, positioniert, verspannt und miteinander verbunden, wie in den 10 bis 23 gezeigt. Besonders vorteilhafterweise werden dabei die miteinander zu verbindenden Ableiter 13 und die Kontaktpads 23 zum Zellspannungsabgriff in einem gemeinsamen Verfahrensschritt verschweißt, wie in 21 gezeigt.
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Der Zellpack 12 wird dann mittels der Übergabevorrichtung 2.2 aus der Grundvorrichtung 2.1 entnommen, wie in den 24 bis 26 gezeigt, und in das Batteriegehäuseunterteil 5.2 eingesetzt, wie in 27 gezeigt. Anschließend wird die Übergabevorrichtung 2.2 entnommen, wie in 28 gezeigt. Danach werden Isolationskämme 24 aus Kunststoff in Leerräume, in welchen sich die Haltefinger 17 der Grundvorrichtung 2.1 befunden hatten, eingesetzt, wie in 29 gezeigt. Danach wird der Batteriegehäusedeckel 5.1 aufgesetzt, wie in 30 gezeigt.
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Im Folgenden wird anhand der 3 bis 40 die hier beschriebene Lösung nochmals entsprechend der hier dargestellten beispielhaften Ausführungsform der Batterie 1, der Montagevorrichtung 2 zur Montage der Batterie 1 und des Verfahrens zur Montage der Batterie 1 erläutert.
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Die Batterie 1 umfasst hier beispielsweise vierundzwanzig als so genannte Pouchzellen ausgebildete Einzelzellen 3, bei denen ein elektrochemisch aktiver Inhalt, d. h. ein Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel aus einzelnen elektrolytgetränkten Lagen von Anoden und Kathoden, die jeweils von Separatoren getrennt sind, von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch welche die Ableiter 13, d. h. elektrische Anschlüsse in Blechform, isoliert durchgeführt sind.
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Die Grundvorrichtung 2.1 der Montagevorrichtung 2 umfasst, wie in den 9 bis 17 und 19 bis 26 gezeigt, die Grundplatte 16, die an ihren Längsseiten mit den beiden, insbesondere parallel verlaufenden, Nuten 19 versehen ist, in welchen die Haltefinger 17 und die beiden Druckplatten 18 axial, d. h. in Längsrichtung der Nuten 19, verschieblich angeordnet sind. Die Haltefinger 17 sind dabei jeweils in einer der Nuten 19 angeordnet und die Druckplatten 18 weisen jeweils die Führungsausformungen 20 auf, welche in jeweils einer der Nuten 19 angeordnet sind.
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Die Einzelteile des Zellpacks 12, d. h. die Einzelzellen 3, elastische Spannmatten 25 zur Kompensation der lade- und alterungszustandsabhängigen Dickenänderungen der Einzelzellen 3 und die Schottwände 14, 15, werden, insbesondere taktil, auf die Grundplatte 16 gesetzt, insbesondere zwischen jeweils zwei Haltefinger 17 auf jeder Längsseite, und somit durch die dazwischen liegenden Haltefinger 17 fixiert, wie in den 10 und 11 gezeigt. Die Einzelzellen 3 werden dabei vorteilhafterweise bereits vorher mit der jeweiligen Spannmatte 25 verklebt. 5 zeigt eine Einzelzelle 3 und eine zugehörige Spannmatte 25 vor dem Verkleben. 6 zeigt die Einzelzelle 3 mit auf einer Flachseite aufgeklebten Spannmatte 25. Dies erleichtert das Anordnen der Spannmatten 25 zwischen den Einzelzellen 3 in der Grundvorrichtung 2.1 der Montagevorrichtung 2.
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7 zeigt eine Zwischenschottwand 14 und 8 eine Randschottwand 15, welche einen seitlich angeordneten Hochvoltkontakt 26 für einen Stromanschluss des Zellpacks 12 nach außen in einer Kunststoffumspritzung 27 aufweist. Dieser Hochvoltkontakt 26 ist mit einer seitlich an der Randschottwand 15 angeordneten Stromschiene 28 zur elektrischen Kontaktierung der Einzelzellen 3 verbunden, beispielsweise einteilig und/oder einstückig mit dieser ausgebildet.
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Durch die Druckplatten 18 vor und hinter dem Zellpack 12 werden dessen Einzelteile definiert verspannt, wie in 12 gezeigt. Die Einzelteile des Zellpacks 12 werden vorteilhafterweise mittels Klebefolien oder Klebstoff, aufgebracht auf die Fläche aller Teile des Zellpacks 12, axial miteinander verklebt. Die im Zellpack 12 im dargestellten Beispiel mittig zwischen jeweils zwölf Einzelzellen 3 angeordnete Zwischenschottwand 14 stützt den Zellpackaufbau und reduziert Schwingungen in Zellpacklängsachsenrichtung, d. h. in Richtung von dessen Längserstreckung. In anderen Ausführungsbeispielen können auch mehrere solche Zwischenschottwände 14 im Zellpack 12 vorgesehen sein, welche vorteilhafterweise jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Einzelzellen 3 angeordnet sind.
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Nach einem definierten Zusammenfahren der Druckplatten 18, wie in 12 gezeigt, werden die Ableiter 13 der Einzelzellen 3, deren Längen nach einem vorgegebenen Schema durch vorherigen Beschnitt eingestellt sind, wie in 13 gezeigt, durch die Haltefinger 17 geklemmt, wie in 13 mittels wirkender Klemmkräfte K schematisch angedeutet, oder spielarm beidseitig umfasst. Durch die nacheinander an beiden Seiten des Zellpacks 12 in axialer Richtung vorbeilaufende Rolle 22 oder jeweils eine solche an jeder Seite des Zellpacks 12 in axialer Richtung vorbeilaufende Rolle 22 werden die Ableiter 13 dann um 90° gebogen und überlappen sich anschließend, so dass, außer am in entgegengesetzt zur Biegerichtung angeordneten Hochvoltpluskontakt, der elektrisch über einen einzelnen blechartigen Zellverbinder 29 angekoppelt werden muss, keine zusätzlichen Zellverbinder zur elektrischen Reihenschaltung erforderlich sind. 12 zeigt den Beginn des Umbiegens der Ableiter 13 mittels der Rolle 22 und 14 den Abschluss dieses Umbiegens. In 14 und in der Schnittdarstellung gemäß 15 sind die entsprechend umgebogenen Ableiter 13 zu erkennen. Die Zwischenschottwand 14 in der Mitte des Zellpacks 12 wird dabei durch einen besonders lang zugeschnittenen Ableiter 13 überbrückt, die Stromschiene 28 des Hochvoltminuskontakts durch einen extra kürzer zugeschnittenen Ableiter 13 angebunden.
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Anschließend wird der Zellverbinder 29 auf den Hochvoltpluskontakt und den angrenzenden Ableiter 13 aufgesetzt, wie in den 16 und 17 gezeigt. 16 zeigt den Zellpack 12 vor und 17 nach dem Aufsetzen des Zellverbinders 29.
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18 zeigt eine Zellspannungsabgriffeinheit 30. Dieses Bauteil zum Zellspannungsabgriff ist in der sogenannten Flexfolientechnik ausgeführt, bei welcher metallische Leiterbahnen 31 und Kontaktpads 23 vollständig oder partiell in dünne Kunststofffolien, die auf der Vorder- und Rückseite angeordnet sind, eingebettet werden. Die Kontaktpads 23 zum Abgriff der Zellspannung sind durch mäanderförmig ausgebildete Haltestege beweglich in einem Grundkörper der Flexfolie gelagert, so dass bei Schwing- oder Schockbelastung erzeugte Bewegungen im Zellpack 12 ohne Beschädigung der Kontaktstelle ausgeglichen werden können.
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Zwei solche Zellspannungsabgriffeinheiten 30 werden beidseits am Zellpack 12 und somit auf den Ableitern 13 angeordnet, wie in den 19 und 20 gezeigt. Dabei zeigt 19 den Zellpack 12 vor und 20 nach dem Anordnen der Zellspannungsabgriffeinheiten 30.
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Die Flexfolie ist im Bereich von zur Ausbildung vorgesehenen Schweißnähten 32, welche die überlappenden Ableiter 13 zur elektrischen Reihenschaltung, d. h. zur elektrisch seriellen Verbindung, miteinander verbinden, mit Fenstern 33 versehen. Zur Verschweißung mittels Laser werden die Ableiter 13 untereinander und die darauf liegende Flexfolie zum Zellspannungsabgriff durch hier nicht dargestellte Niederhalter gegeneinander verpresst, wobei sich die Presskräfte in Querrichtung des Zellpacks 12 an Seitenflanken der Haltefinger 17 abstützen können. Gleichzeitig schirmen die Haltefinger 17 die empfindlichen Einzelzellen 3 vor gegebenenfalls auf der Unterseite der Ableiter 13 austretenden Laserstrahlen und einer entstehenden Schweißwärme ab. Die oben beschriebenen Fenster 33 in der Flexfolie ermöglichen die Verschweißung aller Bauteile in einem einzigen Prozessschritt, d. h. in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, wie in 21 gezeigt. Die Verschweißung erfolgt hier durch eine Laserschweißvorrichtung mittels als Überlapp-Laserschweißnaht ausgebildeten Schweißnähten 32.
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Anschließend werden, wie in den 22 und 23 gezeigt, zur elektrischen Isolierung der Ableiterbereiche Abdeckungen 34 aus Kunststoff auf diese Ableiterbereiche des Zellpacks 12 aufgebracht, vorteilhafterweise aufgeklebt. 22 zeigt den Zellpack 12 vor und 23 nach dem Aufkleben der Abdeckungen 34.
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Nach der Fertigstellung des Zellpacks 12 wird dieser unter Beibehaltung der axialen Vorspannung an die Übergabevorrichtung 2.2 übergeben und aus der Grundvorrichtung 2.1 entnommen, wie in den 24 bis 26 gezeigt. Dabei fahren die an der Übergabevorrichtung 2.2 ausgebildeten Schwerter 21, zu erkennen in 24, in entsprechende längliche Taschen in den Schottwänden 14, 15 ein, wie in 25 gezeigt, und halten die Schottwände 14, 15 somit axial in Position.
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Anschließend wird die Grundvorrichtung 2.1 entnommen bzw. der Zellpack 12 mittels der Übergabevorrichtung 2.2 entnommen, und der sich in der Übergabevorrichtung 2.2 befindende Zellpack 12 wird um 180° um dessen Längsachse gedreht. Das Drehen erfolgt im dargestellten Beispiel zusammen mit der Grundvorrichtung 2.1, welche erst anschließend entnommen wird, wie in 26 gezeigt.
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Danach werden die Unterseiten der Einzelzellen 3 mit Wärmeleitkleber 35 oder Wärmeleitpaste 8 bestrichen und anschließend das Batteriegehäuseunterteil 5.2, welches im dargestellten Beispiel aus einem Mantel aus verschweißten Strangpressprofilen und dem als Temperierplatte 9, insbesondere Kühlplatte, ausgebildeten Batteriegehäuseboden mit aufgesetzten Halterippen 36 zur axialen Fixierung der Schottwände 14, 15 besteht, übergestülpt, wie in 27 gezeigt. Auf diese Weise wird somit der Zellpack 12 in das Batteriegehäuseunterteil 5.2 eingesetzt. Zur Sicherstellung des Einbaus in das Batteriegehäuseunterteil 5.2 ist der Zellpack 12 in der Grundvorrichtung 2.1 und in der Übergabevorrichtung 2.2 der Montagevorrichtung 2 definiert axial etwas überdrückt, d. h. eine Länge des Zellpacks 12 ist kleiner als eine lichte Weite des Batteriegehäuseunterteils 5.2.
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Anschließend wird, vorteilhafterweise nach einer erneuten Drehung des Zellpacks 12 um 180° mittels der Übergabevorrichtung 2.2, die Übergabevorrichtung 2.2, hier nach oben, aus dem Zellpack 12 entnommen, wie in 28 gezeigt, und der zur Sicherstellung des Einbaus in das Batteriegehäuseunterteil 5.2 in der Grundvorrichtung 2.1 und in der Übergabevorrichtung 2.2 definiert, d. h. auf vorgegebene Weise, axial etwas überdrückte, d. h. verpresste und dadurch vorgespannte, Zellpack 12 entspannt sich geringfügig und legt sich mit den Randschottwänden 15 an die Innenseiten des Batteriegehäuses 5 an, hier insbesondere an die Innenseiten des Batteriegehäuseunterteils 5.2. Diese Lösung ermöglicht die Aufnahme sehr hoher Druckkräfte D, welche durch das alterungsabhängige und/oder ladezustandsabhängige Zelldickenwachstum entstehen, durch das ohnehin vorhandene stabile Batteriegehäuse 5 ohne zusätzliche Bauteile.
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Die Leerräume im Ableiterbereich, in welchen sich vorher die Haltefinger 17 der Grundvorrichtung 2.1 befunden hatten, werden anschließend durch die von oben eingesteckten Isolationskämme 24 aus Kunststoff ausgefüllt, wie in 29 gezeigt, wodurch Kurzschlüsse in der Batterie 1 bei großen Verformungen in einem Crashfall, d. h. beispielsweise bei einer Kollision des Fahrzeugs, verhindert werden.
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Nachfolgend wird der Batteriegehäusedeckel 5.1 aufgesetzt, wie in 30 gezeigt, auf welchem ebenfalls Halterippen 36 für die Schottwände 14, 15 angebracht sind. Zwischen den Halterippen 36 sind vorteilhafterweise elastische Schaummatten 37 aufgeklebt, welche den toleranzbedingten Spalt S zwischen der Zelloberseite der Einzelzellen 3 und der Gehäusedeckelunterseite ausfüllen, die Einzelzellen 3 von oben leicht verspannen und thermisch sowie elektrisch isolieren.
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Der Batteriegehäusedeckel 5.1 wird im dargestellten Beispiel, wie in 31 gezeigt, durch umlaufend angeordnete Deckelfixierschrauben 11 mit dem Batteriegehäuseunterteil 5.2 verschraubt. Zur Sicherstellung der Dichtigkeit des Batteriegehäuses 5 ist vorteilhafterweise im Bereich des Deckelflansches eine hier nicht dargestellte Dichtung, beispielsweise eine verpresste Formdichtung oder flüssig aufgebrachte Dichtmasse, angeordnet.
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Die Fixierung der Schottwände 14, 15 erfolgt im dargestellten Beispiel durch lange Befestigungsschrauben 38, die von unten durch Senkbohrungen im Batteriegehäuseboden gesteckt werden, durch entsprechende Bohrungen in den Schottwänden 14, 15 geführt sind und in Gewinde greifen, welche in die am Batteriegehäusedeckel 5.1 befindlichen Halterippen 36 eingebracht sind. Die Befestigungsschrauben 38 fixieren und stabilisieren gleichzeitig den dünnen Batteriegehäusedeckel 5.1 auf der Fläche.
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32 zeigt die fertig montierte Batterie 1 mit Blick auf ihre Oberseite und 33 mit Blick auf ihre Unterseite. 34 zeigt eine Schnittdarstellung der fertig montierten Batterie 1 und 35 eine Ausschnittvergrößerung von 34. 36 zeigt eine weitere Schnittdarstellung der fertig montierten Batterie 1 in einer Ebene der Befestigungsschrauben 38 zur Befestigung der Schottwände 14, 15. 37 zeigt eine Ausschnittvergrößerung von 36.
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Die 38 bis 40 zeigen in einer ausschnittvergrößerten Schnittdarstellung verschiedene Möglichkeiten einer Abdichtung eines Schraubenkopfs der jeweiligen Befestigungsschraube 38 zur Befestigung der jeweiligen Schottwand 14, 15, hier der Zwischenschottwand 14. Zur Sicherstellung der Dichtigkeit des Batteriegehäuses 5 werden beispielsweise Dichtschrauben verwendet, welche eine Dichtmasse 39 oder Dichtung 40 unter dem Schraubenkopf aufweisen, wie in 38 gezeigt, oder die Senkbohrungen für die Schraubenköpfe werden nach der Verschraubung mit einem Dichtstopfen 41 abgeschlossen, wie in 39 gezeigt, oder die Senkbohrungen für die Schraubenköpfe werden nach der Verschraubung mit Dichtmasse 39 ausgefüllt, wie in 40 gezeigt. Dabei kann beispielsweise an allen Schraubenköpfen der Befestigungsschrauben 38 jeweils die gleiche Maßnahme verwendet werden oder es können an verschiedenen Schraubenköpfen verschiedene Maßnahmen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Montagevorrichtung
- 2.1
- Grundvorrichtung
- 2.2
- Übergabevorrichtung
- 3
- Einzelzelle
- 4
- Zellblock
- 5
- Batteriegehäuse
- 5.1
- Batteriegehäusedeckel
- 5.2
- Batteriegehäuseunterteil
- 6
- Verbindungsblech
- 7
- Endplatte
- 8
- Wärmeleitpaste
- 9
- Temperierplatte
- 10
- Zellblockfixierschraube
- 11
- Deckelfixierschraube
- 12
- Zellpack
- 13
- Ableiter
- 14
- Zwischenschottwand
- 15
- Randschottwand
- 16
- Grundplatte
- 17
- Haltefinger
- 18
- Druckplatte
- 19
- Nut
- 20
- Führungsausformung
- 21
- Schwert
- 22
- Rolle
- 23
- Kontaktpad
- 24
- Isolationskamm
- 25
- Spannmatte
- 26
- Hochvoltkontakt
- 27
- Kunststoffumspritzung
- 28
- Stromschiene
- 29
- Zellverbinder
- 30
- Zellspannungsabgriffeinheit
- 31
- Leiterbahn
- 32
- Schweißnaht
- 33
- Fenster
- 34
- Abdeckung
- 35
- Wärmeleitkleber
- 36
- Halterippe
- 37
- Schaummatte
- 38
- Befestigungsschraube
- 39
- Dichtmasse
- 40
- Dichtung
- 41
- Dichtstopfen
- D
- Druckkraft
- K
- Klemmkraft
- S
- Spalt
- TK
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018010029 A1 [0002]
